控制技术
计算机测量与控制.2009.17(10) Computer Measurement &Control
・1955・
收稿日期:2009-01-20; 修回日期:2009-03-05。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60775047)；国家863项目
(2008AA04Z214)。
作者简介：崔恒源(1982-)，男，硕士研究生，主要从事电子设计应用和嵌入式系统应用方向的研究。 黎福海(1964-)，男，教授，硕士生导师，主要从事嵌入式系统(含
FP GA 及DSP )及其应用和电子技术应用方向的研究。
文章编号:1671-4598(2009)10-1955-03 中图分类号:TP274
文献标识码:B
崔恒源，黎福海，姚雪芬
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410082)
摘要：随着电信事业的迅速发展，通信设备供电电源等动力环境必须稳定可靠；文章根据远程通信和控制技术的发展，设计了一种以MSP430F149为核心处理器的通信监控系统，该监控系统采用A T T7022B 电能计量芯片完成电能信息的采集，并利用移动网络自身的通信优势，通过GPRS 将信息传递到监控终端，很好地实现了动力量和环境量的准确实时监控；目前该系统已在湖南益阳等多处投入使用，运行情况良好。
关键词:MSP430F149；监控系统;GPRS ；远程监控
Design and Implementation of an Automatic Pow er E nvironmental
Monitor System for Mobile Communication Station
Cui Hengyuan ,Li Fuhai ,Yao Xuefen
(College of Electrical and Information Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China )
Abstract :Wit h t he rapid development of telecommunications ,communications equipment ,power supply ,such as t he environment must be stable and have reliable power.In accordance wit h long -range communications and control technology development ,t he paper de 2signs an automatic power environmental monitor system for mobile communication station based on MSP430F149.The monitoring system uses a energy measurement chip A T T7022B to collect mobile station power information ,and takes advantage of t heir own mobile network ,convey station information to t he monitoring terminal by GPRS ,which implement s real -time monitoring of t he base station dynamic forces and t he environment.At present ,t he system has been used in Y iyang ,Hunan province ,and ot her multiple base stations ,which has a 2chieved better performance.
K ey w ords :MSP430F149;mobile communication station monitor ;GPRS ;remote monitoring
0 引言
随着我国电信事业的迅速发展和通信网络规模的不断扩
用电监控大，需要操作与维护的设备种类和数量大幅度地提高，设备的技术含量和复杂程度也越来越高，相应的对通信电源的稳定性和可靠性也就提出了更高的要求。为提高我国通信网的整体质量、节约人力资源和能源损耗,20世纪90年代初我国提出了对通信电源设备及环境进行集中监控管理的要求，即通过对 通信电源设备及环境运行进行遥测、遥信和遥控，最终实现少人值守或无人值守，以提高设备维护质量，降低运行维护费用，同时保证系统处于良好的运行工作状态，从而大幅度提高整体运行效率，提高通信质量及电源系统的管理水平[1-3]。
通信电源集中监控管理系统是一个分布式计算机控制系统[4]，它通过对监控范围内的通信电源系统和系统内的各电源设备、空调设备及机房环境进行遥测、遥信，实时监控系统和设备的运行状态，记录和处理相关数据，及时侦测故障并适时通知维护人员处理，进行必要的遥控操作，改变或调整设备运 行状态；按照上级监控系统或网管中心的要求提供相应的数据和报表，从而实现通信局(站)的少人或无人值守。监控系统是一个集中并融合了现代计算机技术、通信技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术和人机系统技术的最新成果而构成的计算机集成系统，设计基于MSP430F149的移动通信动力环境监控系统不仅能实现通信电源、空调及环境的集中监控，还能提高系统的可靠性和通信设备的安全性。
1 MSP430F149的特点
在直流远供电源监控系统中，监控设备的MCU 是整个系统的核心，它承载着信号的采集，数据的运算与上传，以及对系统各部分模块的工作情况进行协调和控制的作用[5-6]。根据模块的功能需求，同时考虑目前模块设计中低功耗化和微型化的发展趋势，本课题选用了Tl 公司的MSP430F149单片机
作为中央处理器。TI 公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，它具有16位RISC 结构，该结构具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法;CPU 中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;MSP430有灵活的时钟源，可以使器件达到最低的功率消耗；它具有强大的处理能力，在8M Hz 晶体驱动下，指令周期为125ns 。
2 系统的体系结构设计
羟基氧化钴电源监控终端装置采用先进的超低功耗固态集成电路技术，并运用中国移动自身网络优势设计制造，适用于监控无
・1956・ 计算机测量与控制 第17卷
人值守的。监控内容包括：低压配电、频率50Hz 的三相交流有功电能、三相电质量(断相、过压、电流异常)、发电机发电时段、蓄电池电压，并通过GPRS 将计量数据和监控数据实时发送至服务器，可在服务器实现远程控制空调温度、实时查询终端数据。该装置计量部分性能均符合IEC1036和G B/T17215-2002标准中三相电能表的技术要求。移动通信电源监控系统的整体结构如图1所示，监控系统MCU 采集蓄电池、发电机电压、三相市电等多种动力信号和温度等环境信号，通过GPRS 网络上传给监控终端，监控终端通过GPRS 网络向监控器下达各种控制和调节命令。
图1 移动通信电源监控系统的整体结构框图
3 监控系统的硬件设计
移动的动力环境监控系统对移动通信机房以及为数众
多的的动力和环境进行遥测、遥信、遥控、遥调，实时监
视系统和设备的运行状态，记录和处理相关数据，及时侦测故
障，通知人员处理，从而实现移动通信机房的少人或无人值
守，以及动力、环境的集中监控维护管理，保证的安
全运行。监控系统的硬件结构如图2所示。
图2 监控系统硬件结构图
MSP430F149是整个监控系统的核心，它通过总线、控制线和串行线来访问所有核心模块器件。FL ASH 存放
Bootloader 、模块驱动程序和应用程序。同时暂存采集模块上
报数据信息，等待监控中心读取当前动力设备运行状态。在系统加电后，系统首先从FL ASH 读取数据，完成
MSP430F149初始化，并开始接收监控中心发来指令。一个串
口一方面作为调试，另一方面用来在正常工作后做内部工作参数设置和数据标定等；另一个串口作为异步透明串口使用，通过GPRS 网络将数据上传至监控上位机。
311 多功能电能计量芯片ATT 7022B
在本系统中，选用珠海炬力集成公司的多功能电能计量芯
片A T T7022B 进行电能测量。它是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶sigma -delta ADC ，其中三路用于三相电压采样(A -C 三相市电电压采样)，三路用于三相电流采样(A -C 三相市电电流采样)，另外还有一路可用于零线电流或其它防窃电参
数的采样(发电机A 相电压采集)。
该芯片内部的电压测量电路可以保证加电和断电时正常工作，提供一个SPI 接口，方便与外部MCU 之间进行计量参数以及校表参数的传递。支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功
电能脉冲输出CF1、CF2，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022B 封装为44脚QFP 形式，外围硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及SPI 通讯接口等电路。芯
片内部框架如图3所示。
电信号通过6对输入端引入
ATT7022B ,ATT7022B 与单片机的接口一般有6条连线，其中4条是
SPI 口线CS 、SC L K 、DIN 、DOUT ，一条ATT7022B 的复位控制线,
一条握手信号线SIG，连接示意图如图2所示。
312 GPRS 模块及其接口电路
的监控数据和监控中心的控制命令都是通过GPRS 方式传输的[7]，通信电路的好坏直接影响着整个装置的质量，系统采用华为公司的GPRS 无线模块GTM900完成数据的无线
收发。华为GTM900无线模块是一款双频段GSM/GPRS 无线模块，支持标准的A T 命令及增强A T 命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，外形尺寸:5615mm ×
36mm ×212mm 。GTM900模块包括信号连接器接口、天线接口、音频接口、UAR T 接口、SIM 卡接口、R TC Backup 接口和L P G 接口等。GTM900的信号连接器是一个40Pin
的FPC 连接器，引脚间距为015mm ，线距015mm ，结构为单排弯式表贴型，带电缆锁紧机构。GTM900提供的天线接口为GSC 射频连接器，外接天线通过电缆连接到该连接器上。GTM900可外接310V 的
SIM 卡。
设计中将GPRS 模块固定于CPU 板背面，将SIM 卡信号线从CPU 板以6针单排
插座引出，接至模块盒的SIMCARD 板,
GPRS 模块天线安装固定于模块盒中。CPU
板GPRS 模块接口电路如图4所示。
4 系统的软件设计
现场监控单元的软件要完成各种数据
的采集，根据参数所设的门限值或采集的
第10期崔恒源，等：移动通信动力环境监控系统设计及实现 ・1957
・
图3 A T T7022B
内部结构
图4 GPRS 模块接口电路
开关量信息，对越警信号发出告警信息，并向监控中心上报，同时接受监控中心的查询和控制命令，给出查询结果或执行控制命令[8-9]。
软件总体流程如图5所示，上电后系统首先进行MCU 及外围电路的初始化，如定时器、串口扩展芯片、时钟芯片等。之后，初始化华为GTM900无线模块并链接到GPRS 网络，成功链接后，监控终端就可以与监控中心进行数据和命令的传送了。在主程序中，还进行开关量的采集，并判断是否产生报警，如果有，则发送告警数据给监控中心。同时进行按键扫描，并对按键进行相关处理，然后显示
。
图5 系统主流程图
监控终端在中断中接收数据，在主程序中对接收的数据进
行处理，根据数据的内容做出相应的动作，如查询数据，则回以相应的数据值，控制命令，则下达相应的命令。发送数据也在主程序中，如果有数据发送，则立起发送标志，发送函数会将发送缓冲区的数据发送出去，如果没有数据发送，则发送函数会自动返回。为了保证GPRS 可靠连接，系统在每天的24:00进行重新连接。
监控终端的系统软件主要包括以下几个部分:(1)底层驱动函数及系统初始化;(2)通信部分：这部分分为两个内容，一个是MCU 与智能设备之间的通信，主要是协议的转换，另一个重要的通信就是与监控中心之间的通信;(3)中断服务程序;(4)人机接口程序。
511 中断服务程序
系统主要监控任务都是在主程序中实现的，因此系统中断程序比较简单，主要是设置标志、启动A/D 及通信中断，系统共用了5个中断，其功能分述如下:
(1)定时器0中断：用于启动A/D 转换，模拟量一个周期采样24点，即采样率为1200Hz ,MSP430F149片上的AD 转换速度很快，启动转换后，查询寄存器标志，在转换结束后读取数据，存入相应的数据空间，并移动指针，模拟量的计算放在主程序中。
(2)串口1接收中断：接收GTM900的数据，在中断中，将得到的数据存入数据缓冲区，同时接收指针向后移动，主程序的流程会进行接收数据的处理，如果接收到数据检验出错，则应向发送相应的出错信息，并请求重新发送。
(3)串口2接收中断：接收智能设备数据的中断，在中断中同样将得到的数据存入数据缓冲区，同时接收指针向后移动，主程序中会进行数据的处理。
(4)外部中断IN T1和IN T2：串行口接收中断，如果系统还连接其他设备，则使用这两个外部中断。
512 GPRS 通讯方式和缓冲的实现
GPRS 通讯和SMS 通讯同时使用，在GPRS 网络正常情
(下转第1961页)
第10期张汝成，等：基于ARM的电梯主控制器设计 ・1961・
稳定性、电磁抗干扰能力和经济性方面都有一定优势，比较适
合在电梯控制系统上应用。基于L PC2294芯片的主控制板在
硬件上可大大简化外围电路的设计，充分提高了性价比
。
图7 主控程序程序周期测试图
(2)本课题在ARM芯片上设计主控制器的控制软件，利用功能的不同类型和实现手段，采取模块化方法和嵌入式编程思想，较少功能间的耦合性，便于功能增减的程序维护，完成了电梯基本功能和扩展功能。在实测中，采用晶振频率为1110592M Hz,ARM7芯片内部4倍频时钟，程序周期如图7所示，纵轴单位为100μs，程序的平均运行周期在2ms上下，峰值不超过315s，足以满足实时控制的要求。
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(上接第1957页)气瓶水压试验
况下，由终端发起的通讯都采用GPRS方式，由服务器发起的
通讯都采用SMS方式；在GPRS网络故障情况下，终端由
GPRS方式转为SMS方式，每次有发送数据需求时，采用
SMS发送，并将数据进行缓冲，启动GPRS重连机制，每隔
30s进行一次GPRS发送尝试，直到GPRS通讯恢复，再将所
有缓冲区的数据依次发送给服务器。通讯流程如图6所示。
图6 GPRS的通讯流程
数据缓冲分为实时数据发送缓冲、异常数据发送缓冲，异
常数据发送优先级高于实时数据发送。实时数据缓冲可缓存
432条实时数据(3天)，终端通过GPRS发送给服务器，服务
器给出正确的应答时，缓冲区中该条数据才被清除。缓冲区采
用循环存储方式，占用EEPROM中一定的存储空间(参考
“数据存储格式.doc”)。写入缓冲区的数据均带有校验和验
证。异常数据缓冲可缓存340条异常数据。光盘标签纸
软件是组成移动通信监控系统的一个重要内容，本文
主要对系统软件进行了较详细的说明，对总体流程设计、中断
服务程序设计、GPRS通信程序等主要模块进行了介绍，由于
程序需要占用大量篇幅，因此文中仅以程序流程图的形式加以
说明。
5 总结
本文设计了一种以MSP430F149为核心处理器的通信监
控系统，该监控系统采用ATT7022B电能计量芯片完成电能
信息的采集，并利用移动网络自身的通信优势，通过GPRS将基
站信息传递到监控终端，很好地实现了动力量和环境量的准
确实时监控。目前，通信电源智能远程监控系统已在湖南益
阳等多处投入使用，运行情况良好。本系统还可使用于电信
行业、智能大厦、无人值守以及生活小区等。
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